Разработка элементов управления двигателями для роботизированных систем

Робот-манипулятор программируется по трем или более осям, которые определяют движения робота, будь то руки или тело робота. Эти роботы-манипуляторы автоматически управляются и перепрограммируются без физической модификации, и они могут быть адаптированы к различным приложениям системы управления. Первоначально разработанные для работы с приложениями в суровых или недоступных средах, современные промышленные системы становятся все более сложными и объединяют робототехнику, которая выполняет многие ранее ручные операции более точно и быстрее, чем это мог бы сделать человек.

Роботизированная система в основном состоит из четырех подсистем:механической, исполнительной, измерительной и управляющей. Ключевой проблемой является то, что требования к низкой скорости и высокому крутящему моменту для управления движением шарниров не позволяют эффективно использовать механические характеристики серводвигателей, что, напротив, обеспечивает высокую скорость и низкий крутящий момент в оптимальных условиях эксплуатации.

Следовательно, функция привода заключается в обеспечении совместимости скорости и крутящего момента двигателей и нагрузок и в обеспечении передачи механического крутящего момента от одного к другому. Компоненты трансмиссии также позволяют улучшить статические и динамические характеристики за счет облегчения механической конструкции за счет размещения двигателей в основании робота.

Совместное движение доверено двигателям, которые обеспечивают желаемое движение механической конструкции. Среди трех основных типов - электродвигатели с постоянным магнитом, электродвигатели постоянного тока (щеточные) и электродвигатели с электронной коммутацией (бесщеточные) - наиболее оптимальным для удовлетворения требований к низкой инерции и высокой точности позиционирования является бесщеточный электродвигатель постоянного тока или BLDC.>

Рис. 1. Схема бесщеточного двигателя постоянного тока (Изображение:Portescap)

BLDC не имеют механического переключения по сравнению с щеточными двигателями, которые используют механическое переключение, в котором вращающиеся якоря со щетками используются для электрических соединений.

Уменьшение количества движущихся частей увеличивает срок службы бесщеточных двигателей, ограничиваемый только износом шарикоподшипников. Кроме того, обмотки улучшают рассеивание тепла и перегрузочную способность, обеспечивая высокий КПД по сравнению с другими решениями постоянного тока.

Из-за отсутствия щеток BLDC также демонстрирует отличную долговечность и низкие шумовые характеристики. Существует два основных типа структур:поверхностный постоянный магнит (SPM) и внутренний постоянный магнит (IPM). Двигатели SPM имеют магниты, прикрепленные к внешней поверхности ротора. В двигателях IPM постоянный магнит встроен в сам ротор.

Двигатели постоянного тока и драйверы

BLDC предлагают высокую эффективность, но, прежде всего, отличные значения крутящего момента и скорости, которые используются во многих приложениях. В них используется неподвижный магнит с вращающимся якорем, который объединяет различные части для обеспечения электронного переключения.

Конструкция BLDC направлена ​​на оптимизацию крутящего момента, который представляет собой величину силы вращения двигателя и связан с обмоткой магнита и катушки. Чем больше количество пар полюсов в магните, тем больше крутящий момент двигателя.

Одним из примеров является платформа Ultra EC от Portescap, состоящая из трех семейств - ECS, ECT и ECP. Эти семейства бесщеточных мини-двигателей, в зависимости от требований к крутящему моменту и скорости, могут использоваться в различных областях. Запатентованный U-образный змеевик обеспечивает минимальные потери в стали, что обеспечивает хорошую эффективность и более низкую работу ( Рисунок 2 ).

Рис. 2. Электродвигатель Portescap Ultra EC (Изображение:Portescap)

Бесщеточные двигатели Maxon Motor AG EC-i доступны в небольших диаметрах, которые подходят для применения в роботах. Они имеют диаметр 30 мм и отличаются высокой динамикой и высоким крутящим моментом.

Семейство EC-i доступно в нескольких типоразмерах, каждый в стандартной версии и версии с высоким крутящим моментом, с максимальным номинальным крутящим моментом до 110 мНм при 75 Вт. Во всех версиях двигатели EC-i 30 могут быть расширены. с энкодерами, редукторами, сервоконтроллерами или контроллерами позиционирования ( Рисунок 3 ).

Рис. 3. EC-i-двигатель Maxon Motor (Изображение:Maxon Motor)

STMicroelectronics вместе с Maxon разработали новый комплект для ускорения разработки робототехнических и промышленных приложений. Комплект EVALKIT-ROBOT-1 обеспечивает точное позиционирование в роботизированных приложениях.

В комплект входит интеллектуальный трехфазный контроллер STSPIN32F0A и полный инверторный каскад, построенный на силовых транзисторах ST, готовый к подключению к двигателю. STSPIN32F0A содержит критически важные схемы управления двигателем, включая микроконтроллер STM32F031C6 и драйвер трехфазного инвертора в компактном корпусе VFQFPN размером 7 × 7 мм ( Рис. 4 ).

Прошивка управления двигателем позволяет разработчикам запускать двигатель и отправлять команды, чтобы легко оптимизировать свой проект. В комплект входит двигатель Maxon BLDC мощностью 100 Вт (EC-i 40) со встроенным 1024-импульсным инкрементальным энкодером. Также включены датчики Холла для определения положения ротора.

Рисунок 4:Комплект разработчика ST EVALKIT-ROBOT-1 (Изображение:STMicroelectronics)

Двигатель с BLDC довольно эффективен, но стремление соответствовать все более жестким требованиям требует от компаний улучшения не только конструкции двигателя, но и привода. В частности, они работают над снижением общего энергопотребления и оптимизацией управления температурным режимом.

Во многих случаях эти конструкции включают интегрированные драйверы, которые минимизируют количество требуемых внешних компонентов, и решения «система на кристалле», обеспечивающие высокий уровень интеграции. Преимущества включают экономию места и энергии, повышение общей надежности системы и снижение затрат.

Поскольку BLDC не имеет структуры, позволяющей переключать направление тока механически, это необходимо делать электронным способом. Формы сигналов можно разделить на два основных типа:трапециевидные и синусоидальные. Из-за температурных ограничений и затрат бывают случаи, когда положение ротора (магнита) оценивается по трехфазному току или наведенному напряжению без использования датчиков.

Водители должны обеспечить правильное управление двигателем, чтобы они могли соответственно контролировать скорость и направление в приложении. Современные микроконтроллеры (MCU) идеально подходят для обеспечения уровня производительности и вычислительной функциональности, необходимых для разработки высокоэффективных контуров управления для электродвигателей постоянного (и переменного тока).

Многие микроконтроллеры поддерживают функции обработки сигналов, которые позволяют обрабатывать сложные алгоритмы в реальном времени с использованием данных позиционирования. Это важно, потому что все больше и больше приложений пытаются исключить датчики, которые предоставляют данные о местоположении. Существует множество микроконтроллеров с периферийными устройствами, специально предназначенными для управления двигателями.

Например, микроконтроллеры Renesas Electronics RL78 / G14 уравновешивают уровень потребления тока с низкими уровнями потребления тока (66 мк / МГц, когда ЦП работает, и 240 нА в режиме ожидания или STOP), обеспечивая высокую производительность вычислений. 51,2 DMIPS (32 МГц). Встроенные функции безопасности поддерживают стандарт безопасности IEC / UL 60730 для бытовой техники.

В двигателях BLDC привод также становится более сложным. Скорость и крутящий момент регулируются соотношением продолжительности включения / выключения переходных процессов; обычно это принимает форму сигнала ШИМ, используемого для управления обмотками. Это состояние еще больше усложняется использованием однофазных, двухфазных и трехфазных двигателей. Сегодня многие интегрированные устройства используются в качестве приводной ступени. Обычно они включают драйверы затвора для управления внешними силовыми полевыми МОП-транзисторами, которые используются для возбуждения до трех фаз двигателя.

Двигатель требует большого количества тока, в то время как схема контроллера работает с сигналами низкого тока. Таким образом, функция драйверов двигателя состоит в том, чтобы принимать слаботочный управляющий сигнал и затем преобразовывать его в более сильный сигнал, который может управлять двигателем.

Infineon Technologies AG предлагает множество интегрированных продуктов для управления приводами с регулируемой скоростью. Микросхемы iMOTION интегрируют все функции управления и аналогового интерфейса, необходимые для бессенсорного полевого управления (FOC). Кроме того, в них используется проверенный алгоритм двигателя управления двигателем (MCE), исключающий кодирование программного обеспечения из процесса разработки протокола управления.

Еще одна экономия места - это драйверы интеллектуальных затворов от Texas Instruments Inc. (TI). Эти драйверы объединяют пассивные компоненты, чтобы уменьшить размер платы, количество компонентов, сложность и стоимость проектирования. Они также позволяют разработчикам оптимизировать характеристики коммутации и электромагнитных помех (EMI).

В своем обширном портфеле драйверов TI предлагает DRV8313 с тремя индивидуально управляемыми полумостовыми драйверами. Устройство предназначено для привода трехфазного бесщеточного двигателя постоянного тока, хотя его также можно использовать для привода соленоидов или других нагрузок. Встроенный компаратор позволяет создавать схемы ограничения тока или выполнять другие функции.

Другим примером является ИС драйвера бесщеточного трехфазного двигателя TC78B025FTG с функцией регулирования скорости с обратной связью от Toshiba Electronic Devices &Storage Corp. Устройство работает от источника питания в диапазоне напряжений от 4,5 В до 16 В и обеспечивает синусоидальный привод. с переключением на 150 °. Низкое сопротивление во включенном состоянии, равное 0,2 Ом (тип.), Снижает самонагрев ИС во время работы, таким образом расширяя поддержку до высоких управляющих токов.

Гальваническая развязка

В целом разработчики электродвигателей знают, что они должны соответствовать международным стандартам изоляции, чтобы предотвратить помехи от внешнего источника и обеспечить электрическую безопасность пользователей. Использование цифровой развязки дает несколько преимуществ, в том числе более быстрое реагирование, что позволяет интегрировать защиту от сверхтока и сократить время простоя. Это обеспечивает более прогрессивное изменение выходного напряжения, тем самым улучшая управление крутящим моментом.

Поскольку оптопары основаны на оптоэлектронной технологии, они представляют собой чрезвычайно надежный метод обеспечения гальванической развязки без какого-либо физического контакта. Это дает много преимуществ по сравнению с традиционным подходом, основанным на использовании электромеханических компонентов, таких как реле. Ключевые преимущества включают отсутствие износа, относительно невысокую стоимость дополнительных компонентов, минимальное пространство на плате, устойчивость к электромагнитным помехам, высокую надежность и длительный срок службы.

В приложениях с электроприводом требуется изоляция двух основных частей схемы:привода затвора для биполярного транзистора с изолированным затвором или IGBT (устройства с коллектором и эмиттером на одной стороне и управляемые затвором на другой), в мостовых инверторах и определение фазы тока в двигателе. Измерение фазного тока обеспечивает защиту IGBT и обратную связь с контроллером для поддержания контроля над током замкнутого контура.

Вот несколько примеров оптопар, которые можно использовать в роботизированных приложениях:

Оптопары RV1S92xxA и RV1S22xxA с длиной корпуса 2,5 мм от Renesas Electronics Corp. позволяют уменьшить площадь печатной платы на 35% по сравнению с аналогичными устройствами, помогая разработчикам уменьшить размер своих роботизированных систем. Благодаря усиленной изоляции RV1S92xxA и RV1S22xxA позволяют системам на 200 и 400 В превосходить стандарты безопасности. Все устройства соответствуют строгим стандартам управления двигателями UL61800-5-1 и UL61010-2-201, которые применяются к системам управления, таким как ПЛК ( Рисунок 5 ).

Рис. 5. Поперечное сечение RV1S92xxA и RV1S22xxA компании Renesas Electronics (Изображение:Renesas)

TLP5214 от Toshiba - это высокоинтегрированная оптопара IGBT с выходным током 4 А, размещенная в корпусе SO16L. TLP5214 имеет расширенные встроенные функции, такие как обнаружение рассыщения IGBT, изолированную обратную связь о состоянии неисправности, мягкое отключение IGBT, активную блокировку Миллера и блокировку пониженного напряжения (UVLO). Он подходит для управления IGBT и силовыми MOSFET, используемыми в инверторах.

Заключение

Независимо от того, используется ли двигатель в промышленных или непромышленных условиях эксплуатации, проектирование высокотехнологичных устройств управления перемещением с возможностью точного позиционирования является сложным и требует чрезвычайно надежных приводных решений и оптимальной механической конструкции.

В последние годы электродвигатели также были связаны с появляющимися роботизированными приложениями, такими как дроны и Сельское хозяйство 4.0, в которых наблюдался ускоренный прогресс благодаря новым производственным системам, таким как быстрое прототипирование, специализированные операционные системы и интегрированные системы управления.